JP4622383B2 - 水素分離基材 - Google Patents

Description

本発明は、水素を含有する水素含有気体から水素を抽出する水素分離膜を有する水素分離基材に関するものである。

近年、水素と空気の電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。燃料電池は、水素と酸素との電気化学反応によって起電力を得る。燃料電池に供給される水素は、例えば、炭化水素系の原料を改質して得られる改質ガスから水素分離装置によって水素を分離することによって得られる。

水素分離装置としては、例えば、パラジウム、あるいは、パラジウム合金など水素を選択的に透過させる性質を有する水素分離金属を利用する装置が知られている。かかる装置では、水素分離金属の一方の面に改質ガスを供給すると、他方の面から水素が抽出される。従来の水素分離装置は、例えば、予め、水素分離金属であるバナジウムにパラジウム被膜を形成した水素分離基材を製造し、かかる水素分離基材に流路プレートや、天板などの部材が積層され、拡散接合、レーザ溶接などの接合方法によって製造されている。

特開２００３−９５６１７号公報

しかしながら、従来の技術では、接合の際に発生する熱の影響を受けて水素分離基材が撓むことにより、水素分離金属の組成が変化し、分離性能が低下するという問題があった。また、水素分離基材だけでなく、流路プレート等も熱によって変形し、組み付け性が低下するという問題もあった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、低温で水素分離基材を製造する方法を提供することを目的とする。

上述した課題の少なくとも一部を解決するために、本発明は以下の構成をとることとした。すなわち、水素分離基材の製造方法において、（ａ）第１の基材に、貫通孔を成形する工程と、（ｂ）前記貫通孔に、水素分離金属を嵌合して嵌合体を形成する工程と、（ｃ）前記嵌合体と、第２の基材とを、クラッド法により接合する工程とを備えることを要旨とする。

このような構成とすれば、低温、低圧で水素分離基材を製造することができ、熱による撓みを抑制することができる。従って、水素分離金属の組成の変化を抑制し、性能の低下を軽減することができる。また、水素分離金属や、水素分離金属と接合する基材の変形を防止し、組み付け性の低下を抑止することができる。また、本発明の構成とすれば、製造の際に、水素分離金属を補強しつつ、水素分離基材を製造することができる。

本発明の水素分離基材の製造方法において、更に、（ｄ）工程（ｃ）に先立ち、前記嵌合体および前記第２の基材の接合面に、表面活性化処理を施す工程とを備えることとしてもよい。

こうすれば、常温で接合することができ、水素分離金属や各基材の歪みを抑制することができる。

本発明の水素分離基材の製造方法において、前記表面活性化処理は、アルゴンイオンを照射する処理としてもよい。

アルゴンイオンによって接合することにより、接合部位に合金を生成することなく接合を行うことができ、水素の透過率の低下を抑制することができる。

本発明の水素分離基材の製造方法において、前記第１の基材には、前記貫通孔が複数形成されており、工程（ｂ）において、前記複数の貫通孔のそれぞれに、前記水素分離金属を嵌合して前記嵌合体を形成する。更に、（ｅ）工程（ｃ）の後に、前記水素分離金属が一つずつとなるよう、前記嵌合体を切断する工程を備えることとしてもよい。

こうすれば、簡易な構成で、水素分離基材を一度に複数生成することができ、製造効率を向上することができる。

本発明の水素分離基材の製造方法において、（ｆ）前記第１の基材と、前記第２の基材との間に、絶縁層を設ける工程とを備えることとしてもよい。

また、本発明の水素分離基材の製造方法において、（ｇ）記嵌合体の表面に、絶縁機能を有する材料を設ける工程とを備えることとしてもよい。

このような構成とすれば、水素分離基材を燃料電池のアノード側の電極として適用することができ、好適である。

本発明の水素分離基材の製造方法において、（ｈ）工程（ｃ）の後に、前記接合された水素分離基材の、前記水素分離金属の周辺の一部を、凸状に成形する工程を備えることとしてもよい。

こうすれば、基材と他の部材とを積層した際に、分離した水素の漏洩を防止することができる。

本発明の水素分離基材の製造方法において、（ｉ）前記第２の基材の、前記第１の基材に形成された前記貫通孔に対応する部位の一部に、前記貫通孔よりも小さい孔部を、少なくとも１以上形成する工程を備えることとしてもよい。

こうすれば、簡易な構成で、水素含有ガスの供給量を向上することができ、水素の分離効率を向上することができる。

本発明の水素分離基材の製造方法において、（ｊ）前記第２の基材に、前記水素分離基材の反応に使用される反応ガスを流通する流路を形成する工程を備えることとしてもよい。

こうすれば、水素分離装置や燃料電池に水素分離基材を適用する際に、装置の小型化を図ることができる。

本発明において、上述した種々の態様は、適宜、組み合わせたり、一部を省略したりして適用することができる。また、本発明は、上述した水素分離基材の製造方法としての構成の他に、かかる製造方法によって製造された水素分離基材、かかる水素分離基材を備えた分離膜電池などの構成をとることとしてもよい。いずれの構成においても、上述した各態様を適宜適用可能である。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき、次の順序で説明する。
Ａ．実施例：
Ａ１．水素分離基材概略構成：
Ａ２．製造方法：
Ａ３．実施例の変形例：
Ｂ．変形例：

Ａ．実施例：
Ａ１．水素分離基材概略構成：
図１は実施例における水素分離基材の概略構成を例示する分解斜視図である。本発明にかかる水素分離基材２０は、銅板１００と、ステンレス板２００と、絶縁部材３００と、水素分離金属１０とから構成されている。図に併せて、Ａ−Ａ断面で切断した水素分離金属１０の断面図を示した。

水素分離金属１０は、バナジウム１２の表面にパラジウム１１が被覆されている。バナジウムに代えて、ニオブ、タンタルなどの５族金属または５族金属合金により構成してもよい。また、パラジウム１１に代えて、パラジウム合金などの水素透過性を有する金属を被覆してもよい。パラジウム１１の被覆は、化学蒸着法（ＣＶＤ）、物理蒸着法（ＰＶＤ）等により形成してもよい。

一般に５族金属または５族金属合金は、パラジウムよりも非常に高い水素の選択透過性を有するものの、酸化しやすいため、酸化皮膜により水素の透過性が損なわれるという性質を有している。本実施例では、パラジウム１１でバナジウム１２の表面を被膜することにより、酸化皮膜の形成を抑制しつつ、高い水素透過性を確保することができる。

銅板１００は、水素分離金属１０と同一の形状に貫通孔１１０が６つ成形されている。ステンレス板２００は、銅板１００と重ね合わせた状態で貫通孔１１０に対応する部位に、貫通して形成された複数の孔部２１０が成形されている。

絶縁部材３００には、銅板１００と重ね合わせた状態で貫通孔１１０に対応する部位に、貫通孔１１０と同一形状の貫通孔３１０が成形されている。図に併せてＢ−Ｂ断面で切断した絶縁部材３００の断面図を示した。絶縁部材３００は、絶縁材３０２の両面に金属層３０１が設けられている。絶縁材３０２は、絶縁性を有するセラミックスまたは樹脂により構成されている。金属層３０１は、ニッケルにより構成されている。本実施例において、説明の便宜上、絶縁部材３００にはある程度の厚みがあるように表しているが、実際には、絶縁部材３００は非常に薄く構成されている。

水素分離基材２０は、銅板１００の貫通孔１１０に、水素分離金属１０を
嵌め込んで形成された嵌合体と、ステンレス板２００との間に、絶縁部材３００を配設し、各部材を積層してクラッド法により接合することにより形成される。

クラッド法とは、異なる材質の薄板を重ね合わせて圧延することにより接合する方法である。本実施例では、銅板１００、ステンレス板２００、絶縁部材３００の、他の部材と接合する接合面にアルゴンイオンを照射して接合面の酸化皮膜を剥離し表面を活性化させて、クラッド法を適用して圧延し接合する。絶縁材３０２は、金属ではないため、両面にニッケルなどの金属層３０１を設けることにより、アルゴンイオンを金属層３０１に照射して接合面を活性化させることができる。アルゴンイオンの照射から圧延接合の過程は、真空中で行う。このようにクラッド法を適用することにより、低温、低圧で接合することができる。また、アルゴンイオンを照射し接合面に表面活性化処理を施すことにより、合金層を生成することなく接合を行うことができる。このように接合された水素分離基材２０を、図２に示した。

図２は、本実施例における水素分離基材２０を説明する斜視図である。水素分離基材２０は、水素分離金属１０と、銅板１００とステンレス板２００と、絶縁部材３００とを、クラッド法により接合することにより形成される。本実施例では、水素分離基材２０は、６つの水素分離金属１０を有するよう形成されている。水素分離金属１０が１つずつとなるよう、水素分離基材２０を切断線１２０で切断し、水素分離基材３０を形成する。図３に、水素分離基材３０をＢ−Ｂ断面で切断した断面図を例示した。

図３は、本実施例における水素分離基材３０の断面図である。水素分離基材３０は、銅板１００と絶縁部材３００、絶縁部材３００とステンレス板２００とが接合されている。また、水素分離基材３０は、水素分離金属１０が銅板１００の貫通孔１１０と、絶縁部材３００の貫通孔３１０とを貫通して、ステンレス板２００と接合されている。孔部２１０は、水素含有ガスを円滑に供給するために設けられており、貫通孔１１０に対応する部位に複数成形されている。水素含有ガスとは、例えば、ガソリンやメタノール、天然ガスなど種々の炭化水素系燃料を改質することで生成される水素リッチな改質ガスである。水素分離基材３０は、孔部２１０を介して水素含有ガスが供給されると、水素分離金属１０の特性により、水素が分離される。

Ａ２．製造方法：
図４は、本実施例における水素分離基材３０の製造方法を説明する工程図である。まず、銅板１００に貫通孔１１０を成形する（ステップＳ１０）。次に、水素分離金属１０を貫通孔１１０に嵌め込み、嵌合体を形成する（ステップＳ２０）。

絶縁部材３００に貫通孔３１０を成形し（ステップＳ１２）、ステンレス板２００の、貫通孔１１０に対応する部位に、複数の孔部２１０を成形する（ステップＳ１３）。

次に、銅板１００と、ステンレス板２００との間に絶縁部材３００を配設した場合に、それぞれ他の部材と接する接合面にアルゴンイオンを照射し、表面の酸化皮膜を剥離する（ステップＳ１４）。図５に、かかる工程を模式的に示した。

図５は、本実施例におけるアルゴンイオンを照射する工程を示した模式図である。図５（ａ）は、銅板１００に、アルゴンイオンを照射する状態を例示している。図示するように、銅板１００の、絶縁部材３００との接合面に、照射機４００によりアルゴンイオン４１０を照射する。同様に、図５（ｂ）は、絶縁部材３００にアルゴンイオン照射する状態を例示している。図示するように、絶縁部材３００の、銅板１００およびステンレス板２００との接合面であるニッケルの金属層に、照射機４００によりアルゴンイオン４１０を照射する。図５（ｃ）は、ステンレス板２００にアルゴンイオンを照射する状態を例示している。図示するように、ステンレス板２００の、絶縁部材３００との接合面に、照射機４００によりアルゴンイオン４１０を照射する。

図４に戻り説明を続ける。アルゴンイオンを照射した銅板１００、ステンレス板２００、絶縁部材３００を積層しクラッド法により接合する。図６に、かかる工程を模式的に例示した。

図６は、本実施例におけるクラッド法による接合を説明する説明図である。図示するように、銅板１００と、絶縁部材３００と、ステンレス板２００を積層し、一対のローラ５００の間を通過させることにより圧延する。ローラ５００は、矢印Ｘの方向に回転しており、水素分離基材３０は、矢印Ｙの方向へ移動される。アルゴンイオンにより活性化された接合面は、圧延により接合される際に、低温で接合することができるため、異種金属間での拡散が起こりにくく金属結合をするため合金を生成せずに接合することができる。従って、水素透過率の低下を抑制することができる利点もある。

図４に戻り説明を続ける。クラッド法によって接合した水素分離基材２０を、水素分離金属１０が一つずつとなるよう切断線１２０に沿って切断する（ステップＳ１６）。以上説明した工程により、水素分離基材３０が製造される。

以上説明した実施例の水素分離基材３０の製造方法によれば、銅板に貫通孔を成形した枠体を形成し、かかる枠体に水素分離金属を嵌合した嵌合体を、ステンレス板と重ね合わせることにより、クラッド法を使用して、水素分離基材を製造することができる。すなわち、低温・低圧で水素分離基材を製造することができ、水素分離基材が熱によって撓むことを抑制することができる。従って、撓みによる水素分離金属の組成の変化を抑制し、水素分離の性能の低下を軽減することができる。また、水素分離金属や、水素分離金属と接合する基材の変形を防止し、組み付け性の低下を抑止することができる。また、アルゴンイオンを照射し接合面の酸化皮膜を剥離する表面活性化処理を行うことにより、接合部位に合金を生成することなく各部材を接合することができるため、水素透過率の低下を抑制することができる。

また、本実施例によれば、一度の圧延で、複数の水素分離基材を製造することができ、製造効率を向上することもできる。

また、本実施例によれば、銅板とステンレス板との間に絶縁部材を配置することにより銅板とステンレス板との電気的導通を排除することができる。従って、水素分離基材を、燃料電池のアノード側の電極として使用することができ好適である。

また、本実施例によれば、水素の分離反応が行われる部位にのみ、水素分離金属を配置することができるため、コストパフォーマンスを向上することができる。

Ａ３．実施例の変形例：
実施例では、絶縁部材３００を銅板１００とステンレス板２００との間に配置することとしたが、例えば、本発明の水素分離基材を、水素分離装置に使用する場合には、絶縁部材３００を設けないこととしてもよい。

本実施例では、ステンレス板２００に、複数の孔部２１０を成形することとしたがこれに限られない。ステンレス板２００に相当する部材を、水素透過性の部材とすれば、孔部を成形することを要しない。水素透過性の部材であっても、孔部を成形することにより、水素含有ガスは円滑に水素分離金属１０に供給されるため、好ましい。

Ｂ．変形例：
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成をとることができることは言うまでもない。例えば、以下のような構成をとることとしてもよい。

Ｂ１．変形例：
図７は、変形例における水素分離基材４０の構成を例示する断面図である。水素分離基材４０は、水素分離金属１０と、銅板１００と、ステンレス板２００とが、実施例において説明したクラッド法により接合されており、表面に絶縁性のコート材６００が塗布されている。コート材６００は、例えば有機系のシールコートとしてもよいし、ガラスコートとしてもよい。絶縁性を有していればよい。

コート材６００を塗布するタイミングとしては、例えば、図４のステップＳ１５の後としてもよいし、ステップＳ１６の切断の後としてもよい。また、予め、銅板１００、ステンレス板２００にコート材６００を塗布することとしてもよい。

このような構成をとることとすれば、水素分離基材４０を積層する際や、他の基材と接合する際に、気密性を向上することができ、好適である。また、絶縁機能を有するコート材を水素分離基材４０の表面に塗布することにより、燃料電池のアノード側の電極として使用することができる。

Ｂ２．変形例２：
図８は、変形例における水素分離基材５０の構成を例示する説明図である。図８（ａ）は、水素分離基材５０を銅板１００側からみた平面図である。水素分離基材５０には、水素分離金属１０の周囲にビード７００が成形されている。Ｃ−Ｃ断面で切断した断面図を図８（ｂ）に例示した。

図８（ｂ）は、水素分離基材５０のＣ−Ｃ断面図である。水素分離基材５０は、銅板１００に水素分離金属１０を嵌合した嵌合体と、ステンレス板２００との間に、絶縁部材３００が配置され、実施例で説明したクラッド法により接合されている。水素分離基材５０は、図に破線円でしめすように、凸状にビード７００が形成されている。

このような構成をとることとすれば、水素分離基材５０を積層する際や、他の基材と接合する際に、気密性を向上することができ、好適である。また、絶縁機能を有するコート材を銅板１００とステンレス板２００間に配置することにより、燃料電池のアノード側の電極として使用することができる。

Ｂ３．変形例３：
図９は、変形例における燃料電池６０の概略構成を例示する説明図である。燃料電池６０は、水素含有ガスと空気の供給を受けて発電を行う装置である。燃料電池６０は、アノード極７０と、カソード極８０と、その間に配置されたプロトン伝導性を有する電解質９００とから構成されている。

カソード極８０は、電解質９００に隣接する多孔性の電極８２０と、セパレータ８００とから構成されている。セパレータ８００には、図示するように、電極８２０側に空気を供給する流路８１０として複数の溝が成形されている。

アノード極７０は、銅板１００と、ステンレス板２００と、絶縁部材３００とを、実施例において説明したクラッド法により接合した水素分離基材によって構成されている。アノード極７０とカソード極８０は、絶縁部材３００によって絶縁されている。絶縁部材３００は、本変形例のように水素分離基材の一部分として構成することとすれば、クラッド法により接合することができるため、簡易に配設することができる。図９（ｂ）に、ステンレス板２００の構成を例示した。

図９（ｂ）は、変形例におけるステンレス板２００の構成を例示する平面図である。図９（ｂ）は、ステンレス板２００を水素分離金属１０側から表した図である。ステンレス板２００は、水素含有ガス供給口２２０と、水素含有ガス排出口２３０と、流路２４０とから構成される。水素含有ガス供給口２２０および水素含有ガス排出口２３０は、ステンレス板２００を貫通するよう形成されている。水素含有ガス供給口２２０、水素含有ガス排出口２３０および流路２４０は、エッチングにより加工される。

燃料電池６０の発電原理を簡単に説明する。まず、水素含有ガスが水素含有ガス供給口２２０から流路２４０に供給されると、水素分離金属１０によって、水素含有ガス中の水素がプロトンと電子に分離される。分離されたプロトンは、水素分離金属１０を通過し、更に、電解質９００を伝導することによりカソード極８０に移動する。一方、分離された電子は、アノード極７０とカソード極８０との間に接続された所定の電気回路１０００に供給され、その後、カソード極８０側に移動する。流路８１０では、供給された空気中の酸素と、電解質９００を伝導して電極８２０に到達したプロトンと、電気回路１０００を介してセパレータ８００に到達した電子とが反応し水が生成される。燃料電池６０は、このような原理によって発電する。

このような構成をとることとすれば、ステンレス板２００を流路プレートとして形成することができるため、燃料電池の小型化を図ることができる。

実施例における水素分離基材の概略構成を例示する分解斜視図である。 実施例における水素分離基材を説明する斜視図である。 実施例における水素分離基材の断面図である。 実施例における水素分離基材の製造方法を説明する工程図である。 実施例におけるアルゴンイオンを照射する工程を示す模式図である。 実施例におけるクラッド法による接合を説明する説明図である。 変形例における水素分離基材の構成を例示する断面図である。 変形例における水素分離基材の構成を例示する説明図である。 変形例における燃料電池の概略構成を例示する説明図である。

符号の説明

１０...水素分離金属
１１...パラジウム
１２...バナジウム
２０，３０，４０，５０...水素分離基材
３１０...貫通孔
６０...燃料電池
７０...アノード極
８０...カソード極
１００...銅板
１１０...貫通孔
１２０...切断線
２００...ステンレス板
２１０...孔部
２２０...水素含有ガス供給口
２３０...水素含有ガス排出口
２４０...流路
３００...絶縁部材
４００...照射器
４１０...アルゴンイオン
５００...ローラ
６００...コート材
７００...ビード
８００...セパレータ
８１０...流路
８２０...電極
９００...電解質
１０００...電気回路

Claims (9)

1. 水素分離基材の製造方法であって、
   （ａ）銅製の第１の基材に、貫通孔を成形する工程と、
   （ｂ）前記貫通孔に、水素透過性金属により被覆された５族金属または５属金属合金により構成される水素分離金属を嵌合して嵌合体を形成する工程と、
   （ｃ）前記嵌合体と、ステンレス製の第２の基材とを、クラッド法により接合する工程とを備える水素分離基材の製造方法。
2. 請求項１記載の水素分離基材の製造方法であって、
   更に、
   （ｄ）前記工程（ｃ）に先立ち、前記嵌合体および前記第２の基材の接合面に、表面活性化処理を施す工程とを備える水素分離基材の製造方法。
3. 請求項２記載の製造方法であって、
   前記表面活性化処理は、アルゴンイオンを照射する処理である水素分離基材の製造方法。
4. 請求項１ないし請求項３いずれか記載の水素分離基材の製造方法であって、
   前記第１の基材には、前記貫通孔が一列に複数形成されており、
   工程（ｂ）において、前記複数の貫通孔のそれぞれに、前記水素分離金属を嵌合し、
   更に、
   （ｅ）前記工程（ｃ）の後に、前記水素分離金属が一つずつとなるよう、前記水素分離基材を切断する工程とを備える水素分離基材の製造方法。
5. 請求項１ないし請求項４いずれか記載の水素分離基材の製造方法であって、
   （ｆ）工程（ｃ）に先立ち、前記第１の基材と、前記第２の基材との間に、前記第１および第２の基材とそれぞれ接合される面に金属層が設けられている絶縁層を設ける工程とを備える水素分離基材の製造方法。
6. 請求項１〜請求項４いずれか記載の水素分離基材の製造方法であって、
   （ｇ）前記水素分離基材の表面に、絶縁機能を有する材料を設ける工程とを備える水素分離基材の製造方法。
7. 請求項１〜請求項６いずれか記載の水素分離基材の製造方法であって、
   （ｈ）前記工程（ｃ）の後に、前記接合された水素分離基材における前記貫通孔の周囲を、凸状に成形する工程とを備える水素分離基材の製造方法。
8. 請求項１〜請求項７いずれか記載の水素分離基材の製造方法であって、
   （ｉ）前記第２の基材の、前記第１の基材に形成された前記貫通孔に対応する部位の一部に、前記貫通孔よりも小さい孔部を、少なくとも１以上形成する工程とを備える水素分離基材の製造方法。
9. 請求項１〜請求項８いずれか記載の水素分離基材の製造方法であって、
   （ｊ）前記第２の基材に、前記水素分離基材の反応に使用される反応ガスを流通する流路を形成する工程とを備える水素分離基材の製造方法。

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